Общая классификация приборов для измерения температуры
Приборы для измерения температуры разделяются в зависимости от физических свойств, положенных в основу их построения, на следующие группы:
- термометры расширения: предназначены для изменения температур в диапазоне от -190 до +500 градусов Цельсия. Принцип действия термометров расширения основан на свойстве тел под действием температуры изменять объем, а следовательно, и линейные размеры.
Рис.1 Рис.2 Рис.3
Рис.1. Жидкостной термометр расширения. Рис.2. Дилатометрический термометр расширения – 1.Латунь, медь; 2.Инвар; 3.Стрелка шкалы. Рис.3.Биметаллический термометр расширения. Два металла имеющие разные температурные коэффициенты, при чем аб>aм.
-манометрические термометры: предназначены для измерения температуры в диапазоне от -160 до +600 градусов Цельсия. Принцип действия манометрических термометров основан на изменении давления жидкости, газа или пара, помещенных в замкнутом объеме, при нагревании или охлаждении этих веществ;
Рис.4. Манометрический термометр:
1 - термобаллон;
2-капилляр;
3-трубчатая пружина;
4-держатель;
5-поводок;
6- сектор (4-6-передаточный механизм).
-электрические термометры сопротивления применяются для измерения температур в диапазоне от -200 до +650 градусов Цельсия. Принцип действия термометров сопротивления основан на свойстве проводников изменять электрическое сопротивление в зависимости от температуры;
-термоэлектрические преобразователи (термопары) используются при измерения температуры от 0 до +1800 градусов Цельсия. Принцип действия термопар основан на свойстве разнородных металлов и сплавов образовывать в спае термо электродвижущую силу, зависящую от температуры спая;
-пирометры излучения применяются для измерения температуры в диапазоне от +100 до 2500 градусов Цельсия. Это прибор для бесконтактного измерения температуры тел. Принцип действия основан на измерении мощности теплового излучения объекта измерения преимущественно в диапазонах инфракрасного излучения и видимого света.
Методы измерения температуры
Выбор метода измерения температуры зависит от диапазона измеряемых температур, требуемой точности, быстродействия и допустимой величины входного теплового сопротивления измерительного устройства, т.е. его входной теплоемкости.
В диапазоне низких и средних температур используются в основном контактные методы измерения, при этом используются термометры сопротивления и термоэлектрические преобразователи (термопары). В терморезисторных преобразователях используется свойство проводников или полупроводников изменять свое сопротивление при изменении их температуры. В термометрах сопротивления обычно используют в качестве проводников медь или платину. Преимуществом медных термометров сопротивления является линейная зависимость их сопротивления от температуры : R=R0(1+0,004ΔT), где R0 - сопротивление при 293° К. Чувствительность такого ПИП 0,004R0K-1, а относительная чувствительность 0,004K-1. Недостатком медных термометров сопротивления является узкий температурный диапазон (220-400К). С целью расширения этого диапазона применяют платиновые термометры сопротивления. Их использование возможно до 1400К. Однако, зависимость их сопротивления от температуры имеет нелинейный характер, что является их недостатком.
Значительно более высокие температуры позволяют измерять термоэлектрические преобразователи – термопары. Верхняя граница их диапазона достигает 2300К. Недостатки – высокая инерционность и очень низкий коэффициент полезного действия.
Бесконтактные методы измерения температуры основаны на использовании энергии излучения нагретых тел. Приборы для измерения температуры, основанные на использовании энергии нагретых тел, называют пирометрами, которые делятся на яркостные, радиационные и цветовые. Яркостные пирометры основаны на измерении спектральной интенсивности излучения. Они измеряют не действительную температуру реальных тел, а яркостную, т.е. такую температуру, которую бы имело абсолютно черное тело при той же спектральной интенсивности излучения. В результате этого возникает погрешность измерения, которая может быть рассчитана по формуле:
Радиационные пирометры измеряют температуру по плотности интегрального излучения. Они измеряют не действительную температуру, а радиационную ТР. Погрешность измерения определяется по формуле:
Цветовые пирометры основаны на измерении так называемой цветовой температуры ТЦ определяемой по отношению интенсивности спектрального излучения абсолютно черного тела на двух каких либо выбранных длинах волн.
В качестве приемников излучения при радиационных методах наибольшее распространение получили оптоэлектрические преобразователи.
При измерении низких температур применяются пироэлектрические преобразователи. Их особенность – реагирование не на излучение, а на его изменение.
Основным преимуществом фотоэлектрических и пироэлектрических преобразователей излучений является их малая инерционность (τ=10-5-10-3 с). Это позволило на их основе построить тепловизоры, дающая возможность на экране увидеть цветовое изображение исследуемой поверхности, цвет которой характеризует ее температуру.
Рассмотренные методы не позволяют проводить измерения температур, близких к абсолютному нулю, а также температур внутри твердых тел, не нарушая их целостности. Такими возможностями располагает термошумовой метод, основанный на том, что во всяком теле вследствие флуктуаций электрических элементарных зарядов возникает разность потенциалов.
В качестве термопреобразователя используется проволочный резистор, на котором измеряют шумовое напряжение, мощность или ток, создаваемые им во внешней цепи.
Широкое применение находят в датчиках температуры термодиоды и термотранзисторы, работающие в диапазоне температур от -80 до +150°С. Их преимуществами являются малые габариты, возможность взаимозаменяемости, дешевизна.
В последнее время для измерения температур от –80 до +250°С все более широкое распространение находят кварцевые термопреобразователи, отличающиеся высокой разрешающей способностью и имеющие частотный выход. В кварцевом термопреобразователе используется зависимость собственной частоты кварцевого элемента от температуры. Высокая чувствительность (до 103 Гц/К), высокая временная стабильность (0,02К за год) и определяет перспективность их использования в цифровых термометрах.
Для того, чтобы измерять температуру с помощью термопреобразователя сопротивления, необходимо преобразовать сопротивление в электрический ток. С этой целью чаще всего используются логометры, шкала которых непосредственно отградуированная в °С.
Для измерения температуры с помощью термоэлектрического преобразователя используется либо милливольтметр типа Щ 4500, либо автоматические электронные потенциометры типа КСП-4, а также тензоусилители типа “ТОПАЗ”, различных модификаций.